CN106549086A - 一种具有应力补偿效应垒层的led外延结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，涉及发光二极管技术领域。本发明结构从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、浅量子阱层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区与电子阻挡层之间设有应力补偿效应垒层。所述应力补偿效应垒层从下至上依次包括本征半导体层、N型半导体层和P型半导体层。同现有技术相比，本发明通过增加垒层，可以提高电子阻挡效益、增加电动注入、减少效率衰减从而提高辐射复合几率，以达到增强LED内量子效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。
背景技术
随着蓝光GaN基LED应用越来越广泛，人们对蓝光GaN基LED的亮度更加关注。
现有技术中的蓝光GaN基LED外延结构如图1所示，从下到上依次为：图形化衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源层6、电子阻挡层7、P型GaN层8。传统蓝光GaN基LED外延结构中由于GaN材料背景浓度较高，大量电子溢出量子阱进入P型导电层，降低电动注入效率。同时，由于电子阻挡层对电子的限制，也抑制电动的注入，降低复合效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。它通过增加垒层，可以提高电子阻挡效益、增加电动注入、减少效率衰减从而提高辐射复合几率，以达到增强LED内量子效率的目的。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、浅量子阱层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是，所述有源区与电子阻挡层之间设有应力补偿效应垒层。所述应力补偿效应垒层从下至上依次包括本征半导体层、N型半导体层和P型半导体层。所述本征半导体层从下至上依次包括U-GaN层、U-AlGaN层和U-InGaN层，或者从下至上依次包括U-AlGaN层、U-InGaN层和U-GaN层。所述N型半导体层从下至上依次包括N-AlGaN层和N-InGaN层，或者从下至上依次包括N-InGaN层和N-AlGaN层。所述P型半导体层从下至上依次包括P-AlGaN层和P-InGaN层，或者从下至上依次包括P-InGaN层和P-AlGaN层。
在上述LED外延结构中，所述应力补偿效应垒层在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
在上述LED外延结构中，所述应力补偿效应垒层中U-GaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm。U-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4
。U-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2
。N-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4
，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。N-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2
，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。P-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。P-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2
，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
在上述LED外延结构中，所述图形化衬底使用图形化蓝宝石衬底、平衬底、非极性衬底、Si衬底或者SiC衬底任一种。
本发明由于采用了上述结构，通过本征半导体层中三层结构的生长，增加阻挡电子的势垒高度，抑制了电子的溢流现象；通过N型半导体层和P型半导体层中共四层结构的生长增加电动的注入效率，增加电动的均匀注入，从而提高了电子与电动的复合效率。同时N型半导体层的结构能降低对电动的阻挡，使电动更容易遂穿。本发明在一定程度上避免了波函数的空间分离，提高了电子空穴复合几率，从而有效提高内量子效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中LED外延结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3是本发明实施例中应力补偿效应垒层的结构示意图。
具体实施方式
参看图2至图3，本发明具有应力补偿效应垒层的LED外延结构从下至上依次包括衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源区6、应力补偿效应垒层601、电子阻挡层7和P型GaN层8。应力补偿效应垒层601从下至上依次包括本征半导体层611、N型半导体层612和P型半导体层613。应力补偿效应垒层601在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
本征半导体层611从下至上依次包括U-GaN层10、U-AlGaN层11和U-InGaN层12，或者从下至上依次包括U-AlGaN层11、U-InGaN层12和U-GaN层10。U-GaN层10的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm；U-AlGaN层11的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ；U-InGaN层12的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，In组分为0.02-0.2
。
N型半导体层612从下至上依次包括N-AlGaN层13和N-InGaN层14，或者从下至上依次包括N-InGaN层14和N-AlGaN层13。N-AlGaN层13的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019；N-InGaN层14的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm、In组分为0.02-0.2
，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。
P型半导体层613从下至上依次包括P-AlGaN层15和P-InGaN层16，或者从下至上依次包括P-InGaN层16、P-AlGaN层15。P-AlGaN层15的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，Al组分为0.1-0.4 ，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020；P-InGaN层16的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，In组分为0.02-0.2
，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
本发明结构的制备方法是在MOCVD反应炉里进行高温烘烤，去除图形化衬底1表面的残余杂质，缓慢降温在500-900℃之间，生长一层AlN缓冲层2。然后迅速升温，在900-1200℃生长U型GaN层3，生长大约10-80min，厚度为1-10um。之后生长N型GaN层4，生长温度在800-1200℃，生长时间为10-80min,生长总厚度在10-10000nm。生长浅量子阱5，生长温度在680-880℃，生长总厚度10nm-2000nm。生长有源区6，生长温度在680-880℃，生长总厚度10nm-2000nm。生长应力补偿层601。生长电子阻挡层7，在800-1000℃下，厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8，在800-1200℃温度下生长，厚度为1000-5000埃，Mg的浓度为5x1017 ~1x1023 cm3。
本发明结构中应力补偿效应垒层601的具体生长方式包括以下步骤：
实施例一：
①
首先生长U-GaN层10，生长温度为700℃,生长压200mbar,
生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1；U-InGaN层12生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm、In组分为0.02 。
②其次，生长N-AlGaN层13，生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1，Si的参杂浓度为5×1017；N-InGaN层14生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.02，Si的参杂浓度为5×1017。
②
最后，生长P-AlGaN层15生长温度为700℃,生长压力为
200mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.1，Mg的参杂浓度为5×1017；P-InGaN层16生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.02 ，Mg的参杂浓度为5×1017。
实施例二：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,
生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。
③ 其次，生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为
400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×1017；N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度1×1018。
④
最后，生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为
400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×1018；P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05
，Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例三：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,生长
厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为3nm，In组分为0.05 。
②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×1017；N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×1018。
③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×1018；P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例四：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压400mbar,
生长厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。
②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×1017；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×1018。
③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×1018；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例五：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,生长
厚度为1nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 。
②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为5×1017；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×1018。
③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×1018；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例六：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,
生长厚度为10nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05 。
②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2，Si的参杂浓度为1×1018；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05，Si的参杂浓度为1×1018。
③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，Al组分为0.2，Mg的参杂浓度为1×1019；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm，In组分为0.05 ，Mg的参杂浓度为1×1019。
实施例七：
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压力为600mbar,
生长厚度为20nm；U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ；U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 。
②其次，生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ，Si的参杂浓度为1×1019；N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 ，Si的参杂浓度为1×1019。
③最后，生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，Al组分为0.4 ，Mg的参杂浓度为1×1020；P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm，In组分为0.2 ，Mg的参杂浓度为1×1020。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何显而易见的修改、替换或改进，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，它从下至上依次包括图形化衬底（1）、AlN缓冲层（2）、U型GaN层（3）、N型GaN层（4）、浅量子阱层（5）、有源区（6）、电子阻挡层（7）和P型GaN层（8），其特征在于：所述有源区（6）与电子阻挡层（7）之间设有应力补偿效应垒层（601），所述应力补偿效应垒层（601）从下至上依次包括本征半导体层（611）、N型半导体层（612）和P型半导体层（613）；所述本征半导体层（611）从下至上依次包括U-GaN层（10）、U-AlGaN层（11）和U-InGaN层（12），或者从下至上依次包括U-AlGaN层（11）、U-InGaN层（12）和U-GaN层（10）；所述N型半导体层（612）从下至上依次包括N-AlGaN层（13）和N-InGaN层（14），或者从下至上依次包括N-InGaN层（14）和N-AlGaN层（13）；所述P型半导体层（613）从下至上依次包括P-AlGaN层（15）和P-InGaN层（16），或者从下至上依次包括P-InGaN层（16）和P-AlGaN层（15）。
2.根据权利要求1所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，其特征在于：所述应力补偿效应垒层（601）在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
3.根据权利要求1或2所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，其特征在于：所述应力补偿效应垒层（601）中U-GaN层（10）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm；U-AlGaN层（11）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4
；U-InGaN层（12）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2
；N-AlGaN层（13）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4
，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019；N-InGaN层（14）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2
，Si的参杂浓度为5×1017-1×1019；P-AlGaN层（15）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中Al组分为0.1-0.4，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020；P-InGaN层（16）的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm，其中In组分为0.02-0.2 ，Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
4.根据权利要求3所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构，其特征在于：所述图形化衬底（1）使用图形化蓝宝石衬底、平衬底、非极性衬底、Si衬底或者SiC衬底任一种。
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